Fibres optiques dopées pour amplificateurs et lasers: problématiques et enjeux

1. iXblue2. Laser à fibre3. Fabrication des fibres optiques4. Techniques de fabrication des cœur dopés5. Problématiques des cœurs dopés6. Cas pratiques7. Le défi de la haute puissance8. Conclusion

•iXblue•Une société de technologie à l’international

01

600+employees

100+ M€turnover

80%export

iXblue at a glance

BOSTON

HOUSTON

RIO DE JANEIRO

DUBAI

SINGAPORE

KUALA LUMPUR

BEIJING

BERGEN

HAMBURG

BESANÇON

LA CIOTAT

LANNION

SAINT-GERMAINEN LAYE

ABERDEEN

AMSTERDAM

BREST BONNEUIL-SUR-MARNE

BRISBANE

iXblue leadership and pioneering expertise

Photonics Navigation Underwateracoustics

Shipbuilding

Mecatronics Surveyoperations

Energy & marineconstruction

Geosciencesurvey

Naval defence Land defence

Cutting edgeindustry

Research& labs

Space Commercialshipping

iXblue, a renowned brand throughout the industry

Photoniques

• Fibre optique spéciale• Réseaux de Bragg • Circuit optique intégré• Modulateur

Spatial

Fibre optique et modulateursrésistants aux radiations

Inertial navigation• Gyrocompass• Inertial navigation system

High demanding navigation

1nm/72h driftin inertial mode

Nexter

Tailored made Inertial Navigation System for gun positioning

Airbus

Tailored made Inertial Measurement Unit for satellites

Underwater acoustics

• Moorings• Acoustic positioning systems• Mapping sonars

Seabed / drones

Underwatertracking system of Ocean

Ship building

• Work boats• Survey ships

Ship building

42m ship manufactured in composite material

Mecatronics

• Motion simulators• Positioners

Motion simulator

5 axes target designation simulator for BOEING

•Laser à fibre02

Matériaux

Médical

• Omniprésence des lasers: Industrie, recherche, militaire• Le laser à fibre remplace massivement les anciennes technologies

• Conversion électro-optique efficace • Faisceau gaussien• Compacts, légers & sûrs• Versatiles en longueur d’onde• De plus en plus abordable

• La tendance est à la très forte puissance.

Militaire

C’estunetechnologiederupture,quiestmaintenantacceptée!

Google

• La fibre optique est dopée avec une terre rare• La terre rare est pompée optiquement sur un état excité au moyen d’une diode laser• La cavité est fermée par des miroirs

• En pratique ce n’est pas une configuration robuste…

Principe du laser à fibre

• C’est un convertisseur de Brillance

• Les terres rares convertissent un faisceau de pompe multimode forte puissance en un faisceau signal très brillant.

• X 6 ordres de grandeur !• Surface Jusqu’à 1000 fois plus petite• Ouverture numérique 30 fois plus petite

Principe du laser à fibre

LAgéométriedelafibreestétudiéepourmaximiserlerecouvrementpompe-coeurdopé

• Amplificateur type MOPA

• Système très robuste… et modulable

• C’est le moteur de l’industrie du laser à fibre

Systèmes ‘tout fibré’

• Nombreux niveaux d’énergie et transitions pour les ions TR

• Dans la silice, seulement 5 états métastables compatibles avec les diodes fortes puissances:

• Nd,Er,Tm,Yb,Ho

• 6 transitions exploitées à ce jour dans des lasers à fibre

Quelles terres rares ?

• Mais des lasers à fibre:• Laser continu• Laser pulsé

• Mode-locked, Q-switch…• ns, ps, fs

• Mono-fréquence• De 890 à 2200 nm

• Chaque configuration de laser a ses propres exigences en terme de gain/m, de qualité modale, de taille de mode, d’ouverture numérique, de ratio cœur/gaine, etc…

Une très grande variété de fibres à développer pour chaque application

Il n’y a pas un laser à fibre…

Nd

•Fabrication d’une fibre optique03

Fibrage

Préforme

La fibre en 30 secondes

VAD (telecom)De nombreuses technologies disponibles

MCVD (fibres spéciales)

OVD (telecom)

Profild’indicederéfraction

•Fabrication des cœurs dopés04

iXblue: dopage en solution (MCVD) • Mise en œuvre simple• Compositions variées• Faible volume de cœur dopé• Peu homogène radialement

-0,001

0,001

0,003

0,005

0,007

-3 -2 -1 0 1 2 3

Indicederéfractionaudessusdelasilice

Rayon(mm)

Profild'indicedepréformesAlYb

MCVD

MCVD + chelate ou CIC (chemical in Crucible)

• Fort volume dopé• Bonne homogénéité radiale

• Contaminations croisées• Homogénéité longitudinale

REPUSIL: poudres

• Fort volume dopé• Grande homogénéité radiale

• Technique propriétaire• Compositions accessibles limitées

OVD DND (Aerosol)

La grande majorité des fibres dopées reste produite aujourd’hui en MCVD+ dopage en solution

SansoublierleSolGel…etquelquesautres

•Problématiques associées

oChoix de la matriceoGuide d’ondeoEfficacité de conversionoPhotochromismeoEchauffementoDégradationoEffets non linéaires

05

Choix de la matrice

• Faible solubilité des Terres rares dans la silice• Agrégats

• l’environnement chimique de la TR modifie ses propriétés…

• Solubilitéaccrue• Elargissementdessectionsefficaces• Tempsdevie vie)

• et change les schémas de pompage• permetleTransfertphononique:co-dopageEr-Yb• Relaxationcroisée(Tm)

• Matrices utilisées classiquement• Alumino-silicate (Yb,Tm,Ho,Nd)• Phospho-silicate(ErYb,Yb,Nd)• AlP (Yb,ErYb)

Lasiliceestfantastique!

Guide d’onde, fibre monomode à grande aire effective (LMA)

• Mode Gaussien• Diamètredecœur• Ouverturenumérique(indicederéfraction)

• Large cœur:• Tenueàlapuissance• Intensitésignalréduite(minimiserlesseuilsd’effetsnonlinéaires)• Forteabsorptiondepompe(laser+court,- effetsNL)• Laserspulsés:plusd’énergiestockée

• Ouverture numérique• Minimum0.05-à0.07pourlaHP• Dépenddelacourburedelafibre(packaging)

0

1

2

3

4

5

6

7

-30 -20 -10 0 10 20 30

Indicederéfractio

n

Rayon(µm)

Taillesdemodeetprofilsd'indice

FibreclassiqueFibreLMA

IndicefibreclassiqueIndicefibreLMA

Réfractivité élément

Positive Al,P,Ge,TR

Négative F,B

Neutre Al+P équimolaire

BoiteàoutilsChimique

+méthode

Piédestal

fossés

Micro-structuration(ducœur)

Boiteàoutilsoptique

Efficacité de conversion

• Efficacité quantique

• Effets délétères:• Agrégats:Pair-induced-quenching/clustering• Interactionions-ions

• Excitedstateabsorption• Up-conversion• Crossrelaxation

• Mitigation• Choixdelamatrice• Dopage<<Concentrationmaximale• designdelafibre• Designdulaser(pompagerésonant)• Technologiedesynthèseducœurdopé(?)

Nepasoublierlaconversionélectriqueoptique!Etatdel’artlaserà1µm:>50%‘wall plugefficiency’(0,64x0,86)

Yb,2niveaux>90%théorique

Photochromisme (photo-darkening)

• Création de centres colorés sous irradiation = Atténuation en excès dans le cœur

• Phénomène complexe !• Observéssurl’Yb,Nd,Th…• Dépenddelamatrice(AlOHC,POHC,P1?…)• Dépenddel’inversiondepopulation• Dépenddelalongueurd’ondedepompe• Photo-blanchiment

• Enjeu majeur sur les fibres Yb HP (résolu)

• Mitigation possible:• Choixdelamatrice• Designdulaser• Designdelafibre• Ajoutdecérium• Chargementengaz

Irradiationà 515nm

Qualité de faisceau

• Fonctionnement monomode• Contrôleduprofild’indicesurpréforme• Contrôledeseffetsdefibragesurl’indice• Fonctionnementsouscourbures

Mesure M2

Mesure S2

-0,001

0,001

0,003

0,005

0,007

-3 -2 -1 0 1 2 3

Rayon(mm)

Troud’indice

-0,0005

0,0005

0,0015

0,0025

0,0035

-3 -2 -1 0 1 2 3

Rayon(mm)

Picdedopage

Profilidéal

Limite thermique• Dépend de l’efficacité de conversion

• EnpratiquenonatteintepourYbmêmeenKW• TrèsproblématiquesurleThulium,etl’Er-Yb

• Limite thermique du revêtement!• <100°Clongterme• Limitethermiquedurevêtement!

• Mitigation• Gestionthermique• Triplegaine• Revêtementmétallique

Casd’écoleFibreErbiumYtterbium,efficacité40%Diamètredegaine650µmAbsorptiondepompe3dB/mTempératuredelafibreairfigé:1000°C

Apportthermiquemax.parunitédelongueur• 100W/menconvectionforcée• 200W/mavecdissipationappropriée

Limite optique• Rupture de la gaine

• Fonctionnementcourbé• Fibres‘screen-testées’• Testoptique

• Fracture du coeur• Défautdefabrication• Limitedumatériau• Conceptiondulaser

• Limite du matériau• 36KWenCW(5MW/cm2)• Critiquepourlesimpulsionsbrèves(<ps)• Dépenddelacompositionducœur(?)

Effets non linéairesLes fibres actives (mais aussi passives) sont sensibles aux effets non-linéaires à cause

de la longueur et du confinement.

• Stimulated Brillouin scattering (SBS)• Trèssensibleàlalargeurspectraledusignal• Modificationduprofilacoustique…

• Stimulated Raman Scattering (SRS)• Peutêtresuppriméparundispositifdefiltrage

• Self phase modulation (SPM)

• ….

Conception d’une fibre active…

Recherche du meilleur compromis

application

Longueurd'onde

matrice

Guided'onde

Photo-chromism

e

Qualitéde

faisceau

modedepompage

thermique

non-linéartés

endommagement

•Cas pratiques• Yb• Tm• Nd• Er-Yb

• PS: non µ-structurées

06

Ytterbium

• Fonctionnement à 2 niveaux d’energie• Pasd’upconversion niderelaxationcroisée• Fortecompositionpossible• Forteefficacitéquantique(>90%)• Pompeà915nmou975nm

• Idéale pour la très haute puissance en CW !

• Photochromisme: très problématique• Codopage aucériumenmatricealuminosilicate• Matricephosphosilicate

• Problématique: Design LMA• DesignLMA:Contrôledetrèsfaibleouverturenumérique0.05-

0.06peucompatibleavecforteabsorptionlinéique• Effetsnon-linéaires

Fibre LMA Yb > 20 µm• MCVD dopage en solution inadaptée

• Faiblediamètredecœur• Peuhomogèneradialement• Contrôleà10-4 prèsillusoire• Dopagenégatifpeucompatibleavecleporeux

• Développement SPCVD phase Vapeur

• ToutPhasevapeur:Al,Yb,Ce,F(maisaussiB,P)• Trèsgroscœurpossible(diamètre4mmdéposéen90minutes)• Contrôleduprofilparrecette

ThèseAlexandreBarnini 2017

Fibre LMA Yb > 20 µm• Validation technologique SPCVD

• PuretéOK• Contrôledel’indiceOK• SourcesterresraresOK

• Développement LMA• AjoutFluoretcérium:OK

• En cours• Correctionindicedeszonesdediffusions

Thulium• Fonctionnement 2 pour 1: relaxation croisée

• Pompageà790nm,émissionà2µm• FaibledistanceentrelesionsTm• Efficacepourlesfortesconcentrations(>4%poids)

• Matrice : aluminosilicate

• Photo-Chromisme: faible…

• Très faible contamination OH

• Efficacité • Théorique79%• Meilleurrésultatpublié70%

Thulium• Problématique particulière : fort dopage en Thulium…et en aluminium

• Problématique actuelle: la température• Optimisationcomposition/profil• Revêtementmétallique

ProjetSIMFFONIE2

Tm-30-300-0.08monomodeEfficacité >40%(pulsé)

M2:<1.3OH:50ppb

Néodyme, vers 910 nm

• Schéma à 4 niveaux• Transitionà1060nmlaplusprobable• Forteréabsorptiondepuisleniveaufondamental

• Matrice : aluminosilicate• Photochromisme: ?• Efficacité: 50%

Fortintérêtpourleslasersbleu440-470nmpardoublagedefréquence

4niveaux

3 niveaux

Néodyme, vers 910 nm

• Suppression du 1060nm par profil en W

• Fibre LMA Nd3+ à gaine réduite

• Géométrie15-60-0.08,monomode

ThèseCeliaBartolacci 2010

ThèseBaptisteLeconte2016

Filtrepassebas22%ionsenAgrégats(10%enphospho)2,3Wà927nm(eff.17%)300mWà463nm

Plagede60nmde875à936nm22Wà915nm7,5Wà450nmRégimensà450nm

Pcrête 1KWPmoyen 2W

CompatibleLIDARBLEU

Erbium-Ytterbium: 1,5µm

• Transfert Yb vers Er• PrésencedeliaisonsP=O• RatioYb/Erélevé

• Matrice : phosphosilicate (ou P+Al)• Photochromisme: non• Efficacité: 50%• Problématiques spécifiques

• Tenueàlatempérature(durevêtement)• Emissionparasiteà1060nm

Efficacité 52%

Projet FEYMOUS :Fibre LMA pour application LIDAR et défense• Design LMA 30-300-0.08• Fonctionnement monomode: Ajout d’un piédestal• Qualité de faisceau: Suppression du trou d’indice par utilisation

matrice AlPO4• Limitation du 1,06 µm parasite: Optimisation ratio Yb/ER

LIDARàdétectioncohérenteEnergie600µJà9KHzPortée>15kmdémontréeen0,1s

M2:1.5

•Le Défi de la (très) haute puissance07

La montée en puissance, fibres classiques

MerciJohanNilsson!

• Large cœur• Faible ON• Composition complexe• Fort contrôle de l’indice

de réfraction

Technologiedefabricationdecœuràfortvolumeetreproductible

La montée en puissance, fibres µ-structurées• Principes de guidage alternatifs• Très grande taille modale• Très nombreux design

Technologiedefabricationdecœuràfortvolumeettrèsreproductibleencomposition

• Fabrication en stack and draw• Cœur dopé à l’indice de la silice • Indice de réfraction contrôlé à 10-5

Projet 4F (Financement PIAVE)

• En cours de montage, regroupant tous les acteurs Français de la filière

• Un ‘work package’ dédié aux cœurs actifs d’indice contrôlé

• CNRS-XLIM:Poudres• CNRS-PHLAM:Sol-Gel• CNRS-PHLAM-OVD• PERFOS:CHELATE

4technologiesmisesencompétition

?

1 technologieretenueetpré-industrialiséepar

•Conclusion08

ü La silice est fantastiqueü En régime continu, la limite est proche…ü En régime pulsé, la course à la puissance continue

La synthèse de matériau dopé en grande quantité, très bien contrôlé en indice de réfraction, de composition chimique complexe, de façon très reproductible et adapté aux designs de fibre de demain… reste un Graal pour la technologie

des lasers à fibre.